人工降雨条件下坡耕地地表糙度的时空变异分布研究

水蚀过程中地表糙度变化研究,特别是微地表条件下水蚀过程中地表糙度的分布及变化特征的研究是土壤侵蚀学科领域的前沿问题,目前仍处于不断的探索与发展阶段。本文试图通过对陕西省杨凌区农耕地土壤进行固定坡度和雨强下不同耕作措施的室内人工降雨试验,建立微地形条件下高精度的DEM并进行分析,探讨地表糙度在水蚀过程中的时空变异分布。结果表明:（1）人为耕作对坡面地表糙度的整体分布状态和坡面高程空间分布状况的影响显著;（2）降雨对等高耕作、人工锄耕、人工掏挖耕作措施的高程分布有一定的影响,并且高程变化量的最大值均出现在坡面的下部;（3）在降雨侵蚀的产流前后,坡面糙度的空间变化最大,而产流后糙度的空间变化趋于平稳。研究结果初步揭示了微地表条件下地表糙度的时空变异状况,并可为进一步分析不同坡度、不同雨强条件下地表糙度的综合研究奠定基础。     

黑土区田块尺度微地形因子对土壤侵蚀与碱解氮的影响

修正通用土壤流失方程流失方程(RUSLE)地形因子未体现田块微地形,造成土壤侵蚀模数模拟精度不高。本文考虑垄向对坡面径流方向影响,通过高空间分辨率DEM,以栅格为计算单元,沿垄向提取相邻栅格的方向性坡度、方向性剖面曲率微地形因子,揭示田块尺度土壤侵蚀与沉积在微地形上的时空变异特征,并以时空变异的实测碱解氮含量进行验证。研究结果表明:在规模化统一耕作管理的田块上,土壤侵蚀模数坡顶坡中(阴坡阳坡),方向性坡度为主控因子,凹形坡直型坡;微凸、微凹地形分别能加剧和抑制土壤侵蚀。研究成果可为黑土区坡耕地RUSLE模型中的地形因子修正提供依据。     

几种插值方法在微DEM构建中的应用

以地统计学常用的均方根预测误差、半变异函数云图和误差图等为精度量化指标,对等高耕作、人工掏挖、人工锄耕和直线坡面耕作措施下微地表高精度DEM的建立方法进行了探讨,以寻求不同耕作措施下构建微DEM的最佳插值方法。结果表明:等高耕作措施微地表采用析取克里格插值法精度较高;人工掏挖措施微地表采用局部多项式插值法效果较好;人工锄耕措施微地表采用规则样条函数的径向基函数插值方法精度较好;对于直线坡面上述几种插值方法的精度差异不大。本研究为建立不同耕作措施下微DEM提供理论基础,并服务于黄土坡耕地土壤侵蚀机理的研究。     

中国主要水蚀典型区侵蚀地形特征分析

地形是影响地表水文和土壤侵蚀的主要环境因素,坡度、坡长和LS因子是土壤侵蚀模型的重要参数。该文以第四次全国土壤侵蚀普查项目为依托,在ANUDEM软件环境中建立25m分辨率文地貌关系正确的DEM(Hydrologically Correct Digital Elevation Model,Hc-DEM),提取了坡度、坡长并计算了LS因子,对中国主要水蚀地区的土壤侵蚀地形因子的空间及统计特征进行了分析,并将该数据与目前应用较为广泛的2种遥感高程数据进行了对比。结果表明,25m分辨率Hc-DEM可用以表达各典型样区地形特征,其上提取的坡度和坡长,符合一般地貌学原理和常规认识;坡度在东北地区最为平缓(0.8°),而在黄土丘陵区最陡(22.3°);坡长则在东北地区最长而黄土丘陵区最短(479m和69m);在地势比较低的河谷和地势较高的分水地带坡度比较平缓,而在分水岭到河谷冲积平原之间坡度较陡;在地形起伏较大的陡坡丘陵或坡度平缓的丘陵,坡长均比较大;LS因子的空间分布格局与坡度基本一致;该文得到的数据与ASTER和SRTM遥感高程数据对比具有明显优势,全国土壤侵蚀普查项目建立的DEM,在全国、省区和大流域尺度上的土壤侵蚀评价制图中具有不可替代性。该文阐明了中国主要水蚀区的侵蚀地形特征,为土壤侵蚀学、水文学中地形因子的提取提供了参考。     

梯田DEM构建方法精度比较研究

在黄土高原地区,梯田作为重要水土保持措施之一,在减缓土壤侵蚀的同时也改变了局地范围的地表形态。顾及梯田地形DEM构建方法的提出极大地弥补了传统中低分辨率DEM不能表达梯田突变地形的缺陷,对于地表微形态分析、土壤侵蚀等地表过程评价等具有重要意义。从基于高程、坡度、坡长等地形属性特征分析、测量误差及地形描述误差评价三方面出发,以高精度激光点云数据为基准,深入探究不同梯田DEM构建方法对梯田地形的表达差异,并对其进行了精度评价。结果表明:（1）从测量误差和地形描述误差的描述结果来看,基于真实田坎法构建结果在各种地形因子的表达上整体误差更小,更接近梯田真实地表形态;（2）从地形特征因子分析结果可知,基于真实田坎法的DEM整体精度较高,对各种地形因子的描述更准确。（3）基于真实田坎法构建出的梯田DEM能够精确描述原始地表形态,但需要较多人力工作,适用于精度较高的梯田地形研究。     

考虑坡度变换的中低分辨率地形湿度指数提取

基于中低分辨率的DEM提取地形湿度指数,对于区域土壤侵蚀因子和区域土壤侵蚀模型等研究有着重要的意义.但随着DEM分辨率的降低,坡度趋于平缓,单元栅格高程信息的改变也会影响单元汇流面积的计算,基于中低分辨率提取地形湿度指数必须考虑这两方面的影响.以1:5万数字地形图分别构TIN得到分辨率为10,20,40和60 m的DEM,进行频率和累计频率统计,以10 m分辨率DEM为参考对其它分辨率DEM做坡度变换,提出根据高分辨率DEM若干栅格的单元汇流面积的均值作为低分辨率DEM的单元汇流面积,根据这两方面对地形湿度指数进行了改正.     

基于人工倾斜摄影测量的微地形三维建模方法研究

耕作坡面微地形是地表径流和土壤侵蚀的重要场所,建立其高精度三维数值模型是定量研究土壤侵蚀过程的基础。针对现有接触式和非接触式测量方法得到的三维模型不能完全真实地反映微地形特征的缺陷,提出了一种获取坡面微地形高精度三维模型的人工倾斜摄影测量方法(ATPM),并对建模精度进行了评价。结果表明,采用ATPM方法建立的地表三维模型精度高,空间各点的平面中误差和高程中误差分别为±1.9 mm和±2.6 mm,能很好地反映微地形的细微特征,可为定量研究土壤侵蚀过程提供较高精度的数据支持。     

基于栅格模块地形因子提取及其水土流失评价中的应用——以湖北省房县水土流失评价为例

以湖北房县为例,在ARC/INFO的栅格模块支持下,利用1:25万的栅格数字高程模型（DEM）数据,对水土流失中地形因子进行了分析,从中提取了坡度、坡向、坡形等地形因子图,完成了水土流失地形因子的数据库及其制图;在此基础上结合水土流失其它几个因子影响特征,初步估算了房县水土流失量。     

顾及梯田的DEM地形特征研究

梯田地表作为一种特殊的经人工深度影响的地貌形态,目前已成为在山丘地区具有经济效益和生态效益的土地资源。但是在当前强化推进土地资源管理数字化,信息化的今天,对梯田的数字化表达以及分析还存在欠缺。本研究通过对数据的改造,构建出顾及梯田的DEM,并从原始DEM与梯田DEM的剖面结构特征、高程特征以及地形因子特征等方面进行了对比分析。结果表明:（1）基于真实田坎构建的梯田DEM,可较为准确且直观地反映梯田地形的特征。（2）与原始DEM相比,加入梯田信息后,梯田DEM高程剖面图总体呈阶梯式分布,转折部位明显,且基于梯田DEM提取的坡度、坡长、LS因子值明显减小,反映修建梯田后地形因子的变化,对进一步定量分析土壤侵蚀以及水土流失具有重大意义。     

DEM栅格分辨率对丘陵山地区定量土壤-景观模型的影响

基于数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）的定量土壤-景观模型的精度依赖于DEM栅格分辨率,而DEM栅格分辨率如何影响土壤-景观模型及其预测精度目前研究较少。以西南丘陵山地区一典型汇水盆地为研究对象,以该区2.5、5、10、20和30 m DEM为基础,利用逐步线性回归方法建立起研究区不同分辨率下的定量土壤-景观模型,并应用这些模型预测研究区内土壤表层碱解氮含量的空间分布,进而比较DEM不同分辨率下土壤-景观模型及其预测精度。结果表明,随着DEM栅格分辨率的降低,比汇水面积、地形湿度指数的均值逐渐增加;平均坡度逐渐降低;曲率变化的范围逐渐减小。地形指数的这一变化规律对土壤-景观模型及其预测结果产生显著影响,模型的校正决定系数、平均绝对误差和均方根误差都以5 m栅格分辨率为转折点,分辨率低于5 m,模型的校正决定系数显著减小,平均绝对误差和均方根误差显著增加。     

组合内窝孔精密排种器清种过程的离散元法仿真分析

建立了种子和组合内窝孔精密排种器的离散元法分析模型,采用离散元法分析该排种器的清种过程,通过改变排种器的CAD模型(CAD软件设计图)和离散元法计算参数,分析不同尺寸和运动参数排种器的清种性能,并将离散元法分析结果与试验结果进行比较,由此证明了采用离散元法分析排种器的可行性和优点,为精密排种器的研究和优化设计提供了一种新方法.     

不同分辨率DEM提取切沟形态特征参数的转化研究

选取黄土丘陵区岔巴沟流域不同位置和不同沟道级别的30条典型切沟为研究对象,基于三维激光扫描技术(LIDAR),建立了基于高分辨率DEM提取切沟形态特征的方法,对比分析了0.1m与5m2种分辨率DEM提取切沟形态特征参数的差异,实现对低分辨率DEM提取的切沟形态特征参数向高分辨率尺度转化。结果表明:基于三维激光扫描技术获取的0.1m高分辨率DEM提取的切沟形态特征值与手工测量的切沟形态特征值之间无显著差异,三维激光扫描技术提取的切沟长度、宽度、深度、表面积和体积分别是手工测量的94.0%,109.1%,107.7%,80.1%和109.0%,表明三维激光扫描技术获取的0.1m高分辨率DEM可较准确地描述切沟形态特征。0.1,5m2种分辨率DEM提取的切沟长度间无显著差异,但2种分辨率DEM提取切沟宽度、深度、表面积和体积间差异显著。5m分辨率DEM提取的切沟宽度、表面积和体积分别较实际值分别偏大28.6%,25.6%和19.7%;而其提取的切沟深度较实际值偏小37.0%。据此,通过模型筛选,分别建立了0.1m高分辨率DEM与5m分辨率DEM提取的切沟宽度、表面积和体积转换模型。模型验证结果表明,本研究所构建的切沟宽度、表面积和体积转换模型的决定系数均大于0.6,模型有效性系数均大于0.5,说明3个转换模型均具有较好的预报精度,为研究黄土丘陵区沟蚀特征提供了重要方法和手段。     

青海省太阳总辐射估算模型研究

以天文辐射理论模型、有关参数为基础,应用青海DEM模型,Angstrom气候学模式,通过天文辐射、大气透射率的计算,建立了青海高原月、年太阳总辐射栅格模型,模型估算平均相对误差7.40%,模拟效果较好;同时,应用模型估算了青海高原30a（1970-2000年）平均月、年太阳总辐射。结果表明,青海省太阳总辐射年平均值为6771.95MJ/m2,空间分布不均匀。全省年太阳总辐射有3个高值区,1个低值区。高值区位于可可西里地区、柴达木盆地南部、大柴旦西部区域,低值区位于河湟谷地。全省月太阳总辐射地域分布差异较大、季节变化明显,5月和7月为峰值,12月为最低值。5、7、12月全省30a太阳辐射平均值分别为717.24、701.96、352.63MJ/m2。     

推土板表面形态对土壤动态行为影响的离散元模拟

土壤行为的变化过程直接受触土部件结构的影响，研究不同表面推土板作用下土壤动态行为的变化规律和影响因素对于触土部件的优化设计具有重要意义。根据液桥对土壤微观力学结构的影响，在传统离散单元法理论的基础上，建立了土壤颗粒接触非线性力学模型，并对光滑和波纹形表面形态推土板前端土壤的动态行为进行了离散元模拟。结果表明：离散元模拟不仅准确再现了实验中表面形态对板面前端土壤动态行为影响的定性和定量结果，而且通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了土壤宏观形态的变化规律以及推土板表面形态对土壤动态行为的影响，即波纹形表面使板面前端土壤波动频率变大，而波动幅度变小。该研究为土壤－机械相互作用分析提供了新的研究思路和手段。     

子午岭地区坡面浅沟侵蚀临界模型研究

利用子午岭地区梁坡高精度的GPS（Trimble 5700）实测数据对国内外已有的浅沟侵蚀临界模型进行了验证。结果表明,已有浅沟侵蚀临界模型模拟的子午岭地区浅沟侵蚀分布面积或大于实际浅沟侵蚀区的10%～40%,或小于实际的20%～35%。基于子午岭地区实测的梁坡GPS数据建立高分辩率的DEM,构建了适用于子午岭地区的浅沟侵蚀临界模型。利用实测GPS数据对所建浅沟侵蚀临界模型进行验证,发现用新建的浅沟侵蚀临界模型模拟的研究区梁坡浅沟侵蚀分布区与野外实际浅沟侵蚀分布区非常吻合,其误差仅为5%。     

玉米秸秆粉料单模孔致密成型过程离散元模拟

为模拟粉碎后的玉米秸秆在单向受压状态下的力学行为,参照实际单模孔致密成型实验,建立了基于软球模型的秸秆粉料颗粒体系三维离散元模型,其约束边界条件与成型实验几何边界形态及尺寸一致。进行模拟分析时,颗粒接触模型的力学特性参数,如颗粒间法向刚度系数kn,切向刚度系数ks及摩擦系数μ,利用离散元模拟程序调试得出参数取值范围。将模拟得到的结果与实验测试数据进行比对与假设检验验证,结果显示数据一致性较好。得出离散元模拟时颗粒间力学特性参数最佳取值范围,分别为法向刚度系数(1.2~1.8)×104 N/m,切向刚度系数(0.8~1.3)×104 N/m,摩擦系数0.10~0.12。通过分析不同压缩位移、不同孔径以及不同锥角下的压缩与应力松弛曲线,建议成型模具孔径Φd=8 mm,锥角θ=45°,且应尽量增大压缩位移以防止秸秆成型块发生松散。离散单元法为研究玉米秸秆粉料致密过程力学行为提供了一种有效的分析手段。     

DEM分辨率对产流产沙模拟影响研究

地形状况决定流域基本特征,因此在进行流域水文过程模拟时,DEM分辨率会影响流域特征参数的提取,进而影响模拟结果。在研究流域模拟过程中DEM分辨率对流域参数提取及产流产沙模拟的影响,选择黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区,采用Resizecell技术对1:25万DEM图进行单元栅格处理,分别生成100m×100m、200m×200m、300m×300m和400m×400m四种不同分辨率的DEM图;分别模拟四种情况下1997～1999年流域的产流量与产沙量,进而分析DEM分辨率对模拟结果的影响。研究表明:DEM分辨率对亚流域的面积或个数的提取影响不大,但对坡度值的提取影响较大。其中,400m×400m的DEM与100m×100m的DEM相比,1997～1999年产流模拟结果分别相差9.12%、9.71%、19.52%,产沙量模拟结果分别相差42.25%、43.56%、49.70%。因此,在进行流域产流、产沙模拟时,应进行坡度订正。     

基于GPS与GIS 技术的长江上游山地冲沟的分布特征研究

长江上游山地生态环境十分脆弱，冲沟系统广泛分布，但对该区冲沟的发生演变一直缺乏定量研究数据。以西昌长山岭地区为对象，应用RTK-GPS对该区冲沟系统进行测量，建立数字高程模型（DEM）；同时基于GIS技术，探讨了从DEM上提取冲沟系统的方法，并以实测冲沟系统为依据，对所提取的冲沟系统的精度进行了对比分析。结果表明，利用DEM提取冲沟系统是一种快速、有效的方法。与此同时，分析了长江上游地区山地冲沟系统的分布特征，结果表明，小流域的沟壑密度为46．7m／hm^2，冲沟侵蚀速率高达191．9t／（hm^2．a），小流域内的土壤侵蚀为极强度土壤侵蚀，以控制冲沟侵蚀为主的水土保持措施，是该地区生态环境建设中值得重视的关键问题。     

宁南山区雨水集蓄利用模式与技术集成研究

在GIS技术的支持下应用SCS模型，以黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区，基于1：250000DEM和1：1000000DEM对1992—2000年的流域径流量进行了模拟，研究了径流模拟对DEM分辨率的敏感性，结果表明1：250000DEM的模拟值比1：1000000DEM为高。由不同分辨率的DEM得到流域面积、河网结构、高程等空间参数相差较小，而坡度相关的变化较大。根据SCS模型敏感参数Cn，从坡度参数变化角度分析了不同分辨率的DEM对流域径流量影响。     

Topographic modelling of soil moisture conditions: a comparison and verification of two models

Topography, as captured by a digital elevation model (DEM), can be used to model soil moisture conditions because water tends to flow and accumulate in response to gradients in gravitational potential energy. A widely used topographic index, the soil wetness index (SWI), was compared with a new algorithm that produces a cartographic depth-to-water (DTW) index based on distance to surface water and slope. Both models reflect the tendency for soil to be saturated. A 1 m resolution Light Detection and Ranging (LiDAR) DEM and a 10 m conventional photogrammetric DEM were used and results were compared with field-mapped wet soil areas for a 193 ha watershed in Alberta, Canada, for verification. The DTW model was closer to field-mapped conditions. Values of K_match90 (areal correspondence, smaller values indicating better performance) were 7.8% and 12.3% for the LiDAR and conventional DEM DTW models, respectively, and 88.5% and 86.7% for the SWI models. The two indices were poorly correlated spatially. Both DEMs were found to be useful for modelling soil moisture conditions using the DTW model, but the LiDAR DEM produced the better results. All major wet areas and flow connectivity were reproduced and a threshold value of 1.5 m DTW accounted for 71% of the observed wet areas. The poor performance of the SWI model is probably because of its over-dependence on flow accumulation. Incorporation of a flow accumulation algorithm that replicates the effects of dispersed flow showed some improvement in the SWI model for the conventional DEM but it still failed to replicate the full areal extent of wet areas. Local downslope topography and hydrologic conditions seemed to be more important in determining soil moisture conditions than is taken account of by the SWI. The DTW model has potential for application in distributed hydrologic modelling, precision forestry and agriculture and implementation of environmental soil management practices.